Trong quá trình này một phần nguyên liệu được đốt cháy đến nhiệt độ phản ứng và cấp nhiệt cho phản ứng.Các nguyên liệu có chứa cacbon như metan, etan, LNG, LPG, naphta, gazoil, ngay cả than hoặc cốc có thể sử dụng để sản xuất axetylen bằng nhóm các phương pháp nhiệt phân này.
Trong quá trình oxy không hoàn toàn, nguyên liệu được trộn với oxy, sau khi gia nhiệt sơ bộ được đưa vào lò phản ứng. Hỗn hợp sau phản ứng được làm nguội nhanh (quá trình “tôi”) bằng nước hoặc dầu. “Tôi” bằng nước đơn giản dễ
thực hiện, “tôi” bằng dầu hiệu quả hơn. Người ta có thể sử dụng các hydrocacbon lỏng để làm nguội, nhờ đó có thể tăng lượng etylen và axetylen được tạo thành trong khoảng nhiệt độ 1500 … 8000C.Quá trình này được gọi là quá trình hai bước.
Cấu trúc lò đốt rất quan trọng, cần đảm bảo các yêu cầu công nghệ.Thời gian lưu trong vùng phản ứng phải rất ngắn.Hỗn hợp phản ứng phải được phân bố đồng đều.Tốc độ dòng khí phải cố định trong quá trình phản ứng để đạt hiệu suất phản ứng cao, tránh hiện tượng cháy kích nổ và tạo cốc.
Công nghệ của BASF sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên đã được thực hiện từ năm 1950. Cho đến năm 1983 tổng sản lượng axetylen trên toàn thế giới được sản xuất theo công nghệ này vào khoảng 400.000 tấn/năm. Hầu hết đều sử dụng phương pháp “tôi” bằng nước, chỉ có một nhà máy ở Đức sử dụng phương pháp “tôi” bằng dầu.
Hỗn hợp oxy và hydrocacbon được trộn trước theo tỷ lệ xác định. Ban đầu là quá trình cháy một phần nguyên liệu và ngay sau đó là quá trình oxy hóa không hoàn toàn hydrocacbon. Trong phương pháp này độ chuyển hóa hydrocacbon không phụ thuộc vào tốc độ khí đưa vào mà chỉ cần khống chế thời gian lưu trong tầng phản ứng nhỏ hơn nhiều so với thời gian phân hủy trung bình của axetylen.Gia nhiệt sơ bộ nguyên liệu phản ứng đến nhiệt độ cao nhất có thể đạt được trước khi đưa vào lò phản ứng sẽ giảm được tiêu hao oxy và hydrocacbon nguyên liệu. Đồng thời cũng tạo ra tốc độ lan truyền ngọn lửa cao hơn và lưu lượng dòng lớn hơn trong lò phản ứng.
Hình 3.9. Quá trình nhiệt điện với hệ thống sử dụng dầu tôi.
1. Thu hồi nhiệt. 5. Thiết bị phân chia các hỗn hợp có điểm sôi thấp.
2. Lò hồ quang. 6. Thiết bị tái sinh dầu. 3. Thu hồi dầu. 7. Thiết bị làm lạnh cuối. 4. Thiết bị phân chia các hỗn hợp có điểm sôi cao.
Trong dây chuyền công nghệ, nhỏ nhất nhưng quan trọng nhất là lò phản ứng.Cấu tạo của nó gần giống nhau cho hai quá trình làm nguội nhanh bằng nước và bằng dầu.Trên hình 3.10 mô tả lò phản ứng của BASF.
Hình 3.10. Lò phản ứng oxy hóa không hoàn toàn của BASF.
Tại đỉnh thiết bị, tác nhân phản ứng đã được gia nhiệt sơ bộ (đối với metan khoảng 6000C) được trộn hỗn hợp thật nhanh với oxy tại buồng trộn.Khi hỗn hợp phản ứng được đưa vào buồng phản ứng, sự bắt lửa xảy ra trong khoảng thời gian vài mili giây tùy thuộc vào nguyên liệu hydrocacbon và quá trình gia nhiệt sơ bộ.Các hydrocacbon cao hơn sẽ được gia nhiệt sơ bộ ở nhiệt độ thấp hơn so với metan.Để tránh sự thổi ngược lại của hỗn hợp khí giữa buồng trộn và tầng phản ứng, người ta sử dụng thiết bị khuếch tán là một ống nối từ buồng trộn tới lò đốt.Vì
thành ống nhẵn và luôn luôn có dòng khí đều đặn đi qua các lổ nhỏ của lò đốt nên thực tế không xảy ra sự chuyển động ngược lại của hỗn hợp khí.Lò đốt gồm những tấm thép được làm nguội bằng nước và có rất nhiều khe nhỏ để dòng khí đi qua. Tốc độ dòng khí luôn luôn lớn hơn tốc độ lan truyền ngọn lửa vì vậy ngọn lửa bên dưới lò đốt không thể đốt ngược trở lại thiết bị khuếch tán. Phía dưới lò đốt có đường ống bổ sung thêm oxy cho hỗn hợp phản ứng. Trong điều kiện không thuận lợi ngọn lửa có thể xuất hiện phía trên lò đốt.Trong trường hợp này phải ngắt ngay dòng oxy và thổi nitơ vào.Nitơ dập tắt sự cháy kích nổ trước khi gây ra sự cố cho thiết bị.
Hỗn hợp khí có nhiệt độ cao ở trong vùng phản ứng trong khoảng thời gian vài mili giây, sau đó sẽ đi qua vùng “tôi”, tại đó có phun nước hoặc dầu làm mát tức thời đến 800C (đối với nước) hoặc 200 … 2500C (đối với dầu). Tác nhân dùng để “tôi” hỗn hợp sau phản ứng được dẫn vào từ hệ thống gồm ba ống vòng đặt ngay phía dưới tầng phản ứng.
Hình 3.11 và 3.12 mô tả các sơ đồ công nghệ sản xuất axetylen bằng phương pháp nhiệt phân oxy hóa không hoàn toàn sử dụng quá trình “tôi” bằng nước và “tôi” bằng dầu.
Hình 3.11. Sơ đồ công nghệ sản xuất axetylen với quá trình “tôi” bằng nước. 1. Thiết bị gia nhiệt. 4. Thiết bị lọc điện.
2. Thiết bị phản ứng. 5. Thiết bị thu hồi muội. 3. Tháp làm lạnh. 6. Thiết bị làm lạnh.
Trong công nghệ có “tôi” bằng nước, nguyên liệu khí oxy và metan được đưa qua thiết bị gia nhiệt 1 đạt nhiệt độ cần thiết khoảng 600…7000C, sau đó được đưa vào thiết bị phản ứng 2, tại đây xảy ra quá trình oxy hóa tạo axetylen. Hỗn hợp sau phản ứng được làm lạnh nhanh bằng nước đến nhiệt độ 80…900C, sau đó hỗn hợp được đưa qua tháp làm lạnh 3 để tiếp tục làm lạnh, tách muội cacbon và bụi cơ học. Thiết bị lọc điện 4 lắp sau đó cho phép tách triệt để hơn muội cacbon và bụi cơ học. Khí sạch nhận được từ đỉnh cột làm lạnh có nhiệt độ 300C được đưa qua máy nén sang bộ phận tinh chế thu sản phẩm axetylen. Muội cacbon được thu hồi nhờ bộ phận lắng gạn 5 và được đưa sang lò đốt. Thiết bị làm lạnh 6 có tác dụng làm lạnh nước và bơm vận chuyển tuần hoàn lượng nước đưa vào “tôi” hỗn hợp sau phản ứng.
Ưu điểm của công nghệ theo sơ đồ này là có thể thu được axetylen với hiệu suất cao và được làm sạch triệt để muội cacbon. Tuy nhiên cần phải bơm một lượng lớn nước để “tôi” sản phẩm phản ứng, không tận dụng được nhiệt của phản ứng.
Trong sơ đồ trên hình 3.12người ta đã khắc phục nhược điểm của sơ đồ trên bằng cách tận dụng nhiệt của phản ứng để nhiệt phân cặn dầu. Tương tự như sơ đồ trên, ban đầu khí nguyên liệu được gia nhiệt đến nhiệt độ 600 …7000C trong thiết bị gia nhiệt 1, sau đó được dẫn vào thiết bị phản ứng 2, hỗn hợp sau phản ứng được “tôi” bằng cách phun cặn dầu đến nhiệt độ 200 …2500C, lượng dầu chưa cháy hết được lắng ở đáy tháp và được bơm trở lại nhờ hệ thống bơm màng. Hỗn hợp khí sau phản ứng cùng với các sản phẩm phân hủy của dầu là các hydrocacbon thơm (benzene toluen xylen – BTX) được đưa qua trao đổi nhiệt làm sạch khỏi muội cacbon tại tháp trao đổi nhiệt 3. Tháp trao đổi nhiệt có 3 phần, ở phần dưới cùng hỗn hợp khí trao đổ nhiệt với dầu, ở phần giữa trao đổi nhiệt tiếp tục và có tách các hợp chất vòng ngưng tụ, ở phần trên cùng trao đổi nhiệt với hydrocacbon thơm nhẹ (BTX). Sản phẩm khí đi ra từ trên đỉnh tháp là hỗn hợp của axetylen, cacbonic, BTX,…có nhiệt độ 800C được đưa sang thiết bị làm lạnh cuối 7 để tách BTX. Khí khí sản phẩm nhận được từ đình tháp có nhiệt độ 300C đưa sang máy nén 4. Phần chứa BTX thu được ở đáy tháp được đưa sang thiết bị lắng gạn 6 thu BTX, cặn nặng hơn được đưa sang thiết bị cốc hóa 5 làm việc ở nhiệt độ khoảng 5000C.
Hình 3.12. Sơ đồ công nghệ sản xuất axetylen với quá trình “tôi” bằng dầu. 1. Thiết bị đun nóng. 5. Thiết bị cốc hóa.
2. Thiết bị phản ứng. 6. Lắng gạn.
4. Bơm nén.
Ưu điểm của sơ đồ công nghệ này là tận dụng nhiệt của phản ứng để phân hủy cặn dầu, sản phẩm của quá trình phân hủy cặn dầu chủ yếu là BTX.
Nhược điểm của sơ đồ này là axetylen nhận được có độ tinh khiết không cao so với phương pháp “tôi” bằng nước, hiệu suất sản phẩm không cao vì làm lạnh không triệt để.
Công nghệ nhiệt phân metan để sản xuất axetylen có hiệu quả và kinh tế hơn phương pháp nhiệt điện nên được sử dụng rộng rãi hơn trong công nghiệp.
Chương 4: SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ TÁCH